扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究

1、 本文由俸天承运贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 3 7 卷第 1 期 2007年1月 中 国 科 学 技 术 大 学 学 报 Vol . 37 ,No . 1 J an. 2 0 0 7 J OURNAL OF UNIVERSITY OF S CIENCE AND TECHNOLO G Y OF CHINA imp roves t he indoor t hermal co nditio n , especially in summer and winter , reducing t he cooling and heating

2、load noticeably , and achieving an excellent effect o n energy efficiency. Key words :wall integrated with flat2box PV/ thermal collector ; electrical/ thermal performance ; indoor heat gain 符号表 M/ kg 文章编号 :025322778 (2007) 0120046207 d/ m 厚度 - 1 - 1 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 季 ,韩崇巍 ,陆剑平 ,何 ,裴 杰 伟 刚 ( 中国科学

3、技术大学热科学和能源工程系 ,安徽合肥 230026) 摘要 : 建立了扁盒式光伏热水一体墙的理论模型 ,采用由软件生成的合肥地区全年气象数据对其光 电光热性能和室内得热量进行数值模拟 . 计算结果表明 ,系统的光热效率一般在 40 %以上 ,光电效 率一般在 11 %以上 ,与常规混凝土墙体相比 ,扁盒式光伏热水一体墙不仅有很好的热电收益 ,同时 由于改变了建筑围护结构的性质 ,很好地改善了室内热环境 ,尤其在夏季和冬季 ,大大降低了空调 负荷 ,起到了很好的建筑节能效果 . 关键词 : 扁盒式光伏热水一体墙 ; 热电性能 ; 室内得热 中图分类号 : TM615 文献标识码 :A ( De

4、 p art ment of T hermal S cience and Ener g y En gi neeri ng , Uni versit y of S cience and Technolog y of Chi na , Hef ei 230026 , Chi na) Abstract :Based o n t he meteorological data of Hefei , a numerical model was built for t he simulatio n of t he collectors. Result s show t hat t he t hermal e

5、fficiency is usually over 40 percent and t hat t he PV co nversio n efficiency is usually over 11 percent . Due to t he change in t he characteristic of building envelop , co mpared wit h t he t raditio nal co ncrete wall , t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal collecto rs o bvio u

6、sly 水箱中的水量 风速 (kg ? - 3 ) / m 密度 C/ (J ? kg elect rical/ t hermal performance and heat gain of t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal K ) 比热容 温度 ua / ( m ?s - 1 G/ ( W ? - 2 ) m T/ K 太阳辐照强度 L/ m 玻璃盖板的长度 流道的宽度 流道的润湿周长 W/ m P/ m U/ ( W ? m - 2 K ) 热损系数 - 1 3 收稿日期 :2006206205 ; 修回日期 :2

7、006209212 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基金项目 : 国家自然科学基金 (50408009) 和教育部光伏研究中心开放基金资助 . 作者简介 : 季杰 ( 通讯作者) ,男 ,1963 年生 ,博士/ 教授 . E2mail :jijie ustc. edu. cn ; Tel :055123601652 J I J ie , HAN Cho ng2wei , L U J ian2ping , H E Wei , P EI Gang ) Theore

8、tical study of solar wall integrated with flat2box PV/ thermal collector 玻璃盖板平面的 rc 3 吸收率 发射率 ( ) 光伏电 池面 积 与 集热面积的比值 有效透过率与吸收率乘积 r 仅考虑吸收损失的玻璃盖板透 过率 玻璃盖板的反射率 A/ m 2 面积 h/ ( W ? - 2 ?K - 1 ) 换热系数 m - 1 - 1 k/ ( W ? m K ) 热传导系数 仅考虑反射损失的玻璃盖板透 第1期 过率 cell 下标 g 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 a p i t w 47 wall s in ou

9、t 空气 光伏模块 绝热层 流道壁 水 墙体 水箱 进口 出口 光伏电池的光电效率 波尔兹曼常数 玻璃盖板 0 引言 太阳 能 光 伏 建 筑 一 体 化 ( building integrated p hotovoltaic ,B IPV ) 越来越受到人们的关注 , 这种 直接在建筑围护结构外表面上铺设光伏阵列或者取 代外围护结构的方式有效地利用了建筑围护结构的 外表面 ,通过光伏阵列把太阳能转化为电能 . 虽然随着技术的不断成熟 , 光伏电池的光电效 率较最初已有很大提高 , 但光电效率的绝对数值依 然较低 ,照射到光伏电池表面的太阳辐射能 ,80 %以 上并未转化为电能 , 而是转化为

10、光伏电池的热能或 损失掉 ,由于光伏电池的光电效率随着工作温度的 升高而降低 ,如不对电池采取有效的冷却措施 ,电池 的工作温度将迅速上升 ,导致光电效率的下降 . 国内外不少学者已就太阳能光伏建筑一体化中 如何有效地降低光伏电池的工作温度进行了理论和 实验研究 . 目前 ,对光伏模块的冷却主要采用风冷和 水冷两种冷却模式 . 风冷模式虽然明显地降低了光 伏电池的工作温度 ,提高了光电效率 1 ,但空气冷却 光伏模块后排入了环境 ,热能并没有被有效利用 ; 水 冷模式是在光伏模块背面设置吸热表面和流体通 道 ,构成光伏光热模块 , 通过流道中水带走热量 , 这 样既有效地降低了光伏电池的温度

11、, 提高了光电效 率 ,又有效地利用了余热 , 获得了热水 . 这种在外表 面设置了光伏光热模块 、 以水为流体的墙体就是光 伏热水一体墙 . 文献 2 ,3 对管板式光伏光热模块建立了数学 模型 ,对其光电光热性能进行了数值模拟 . 文献 4 从理论上研究了管板式光伏热水一体墙的光热光电 性能和墙体得热 . 本文对扁盒式光伏热水一体墙建立了理论模 型 ,采用由软件生成的合肥地区的气象数据对其光 电光热性能及室内得热量进行了全年的数值模拟 , 并与等厚度的普通混凝土墙体的得热进行了比较 . 水箱 、 连接管路及支撑框架组成 . 铺设到普通混凝土 墙体外表面的扁盒式光伏光热模块的结构如图 2 和

12、 图 3 所示 . 光伏模块由多晶硅电池做成 ,流道横截面 图1 光伏热水一体墙系统图 Fig. 1 Picture of the w all 图2 单个光伏光热模块的竖直剖面图 Fig. 2 Vertical section of single module 1 系统结构及工作过程 如图 1 所示 , 本文研究的扁盒式光伏热水一体 墙系统由 6 块扁盒式光伏光热模块 、 直流循环水泵 、 图3 单个光伏光热模块的水平剖面图( 部分流道) Fig. 3 Level section of single module ( partial channels) 1994-2008 China Acad

13、emic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 48 中国科学技术大学学报 第 37 卷 为 20 mm × mm 的长方形 ,以导热性能好的铝为 10 制作材料 ,每个光伏光热模块有 30 个流道 . 光伏光 热模块的四周也填充有绝热材料 ,绝热性能好 ,散热 面积不大 . 系统白天运行 ,靠直流循环水泵强迫水循环 ,加 强换热效果 ,以有效抑制电池温度的升高 ,提高光电 效率 ,同时得到热水 . 璃对长波辐射是不透明的 , 则有 2 ( Tp2 + Tg ) ( Tp + Tg ) hrgp = . 1

14、 1 + - 1 g p 2. 1. 2 光伏模块的能量平衡 dp Cp p 2 计算模型 2. 1 扁盒式光伏热水一体墙模型 做以下假定 : ( 光伏光热模块四周填充有绝热材料 , 且散 ) 热面积不大 ,假定四周绝热 . ) 以假定 ( 为前提 , 考虑到光伏光热模块的结 构有很好的对称性 , 可把光伏光热模块的传热分析 归结为对单个流道部分 ( 图 3 中相邻两条点划线所 夹的部分) 建立传热模型 . ( 光伏光热模块各组成部分只考虑沿流动方 ) 向的温度梯度 . ( 忽略系统连接管路的热损 . ) ( 忽略玻璃盖板上灰尘和污垢对采光的 ) 式中 , Ep = Grc ( 1 - - r

15、) , g cell ka d 和 da d 分 别 为 粘 结 层 的 热 传 导 系 数 和 厚 度 , Ep / ( W ? m - 2 ) 为单位面积光伏模块的发电功率 . 2. 1. 3 吸热流道的能量平衡 A tt Ct t 影响 . 2. 1. 1 玻璃盖板的能量平衡 假定玻璃盖板温度均匀一致 Cg dg g d Tg = hwind ( Ta - Tg ) + heg ( Te - Tg ) + dt hcgp ( Tp - Tg ) + hrgp ( Tp - Tg ) + G g , ( 1) 式中 , hwind 为玻璃盖板外表面的对流换热系数 ; Ta 为 环境温度 ;

16、 Te 为天空温度 ; he g 为玻璃盖板和环境的 辐射换热系数 ; hcpg 为玻璃盖板和光伏模块之间的对 流换热系数 ; hrpg 为玻璃盖板和光伏模块之间的辐射 换热系数 . 计算过程中 , Tp 在式 ( 1) 中取为光伏模块 的平均温度 . hwind = 3 ua + 2 . 8 2 因为流道为非圆形管 , 故引入有效直径 Dh = N u D = 01 023 ReD Pr 4/ 5 1/ 3 2 A tt 为流道壁的横截面积 ; A c 为流道的横截面积 . 也可近似取 Te = Ta ; 2 2 he g = ( Tg + Te ) ( Tg + Te ) ; g hcgp

17、 N ua N u a ka = ; da 假定 : ( a ) 玻璃盖板和光伏模块都是灰体 ; ( b) 玻 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Pr Ra = 01 22 0 . 2 + Pr ; Te = 01 0552 Ta 0 . 28 1. 5 7 , 计算时 2. 1. 4 绝热层的能量平衡 di Ci i L / da - 0 . 25 8 . 5 Tt = htp W ( Tp - Tt ) + hit W ( Ti - Tt ) + 5t htw

18、 P ( Tw - Tt ) + A tt kt 5 Ti 52 Ti = hit ( Tt - Ti ) + di ki + 5t 5 x2 hiwall ( Twall x =0 z =0 5 Tp = ( hcgp + hrgp ) ( Tg - Tp ) + 5t htp ( Tt - Tp ) + G( ) p Ep + dp kp ( ) p = 5 Tp 5x 5 Tt 5x 5 Ti 5x 5 Tt 5x 5 Ti 5x 5 Tp 5x = 0, = 0. x =0 x=L htp = ka d , da d p 1 - (1 - ) r p = 0, x =0 = 0, .

19、x=L hit = 2 ki di = 0, = 0, . x =L hiwall = 2 ki di 52 Tp , 5 x2 (2) (3) (4) , . - Ti ) , 52 Tt , (5) 5 x2 (6) (7) (8) , 4 Ac P (9) ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) ( 13 ) 第1期 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 49 2 z = Dw 2. 1. 5 流道中水的能量平衡 A c Cw w he w = Twall wall + Te 2 Twall 式中 , mw / ( kg ?s ) 为管内水的质量流速 . 2. 1. 6 水箱中水的能量

20、平衡 由于本系统采用水泵强制循环 , 大流率水流入 水箱会导致剧烈的掺混 5 , 所以假定水箱内水的温 度均匀 . d Ts M Cw = Mw Cw ( Ts ,in - Ts ,out ) - A s U s ( Ts - Ta ) , dt ( 16) ( 17) T s ,out = T s , ( 18) T s ,in = Tw x = L , ( kg ?s - 1 ) 为水箱内水的质量流率 . 式中 , M w / 2. 1. 7 建筑墙体中的传热过程 2 5 Twall kwall 5 Twall ( 19) = , Cwall 5 z 2 5t wall 5 Twall T

21、i - Twall z = 0 - kwall = ki , ( 20) 5 z z =0 di 2 5 Twall - kwall = hw ,r ( Twall - Tn ) + 5 z z = dw - 1 5 j =1 式中 , Tn 为室内温度 ; hw ,r 为墙体内表面的对流换热 系数 ; hw ,j 为墙面之间的辐射换热系数 , Fw ,j 为墙体 相对于其他 3 面墙体以及顶棚地板的视角系数 . 2. 1. 8 光伏电池的光电效率 = 1 - ( Tp - T r ) , ( 22) cell r r 为光伏电池工作温度为 T r 时的光电效率 ; 式中 , r r 为温度系

22、数 . 2. 2 普通混凝土墙体的传热模型 2 5 Twall kwall 5 Twall ( 23) = , Cwall 5 z 2 5t wall 5 Twall - kwall = hwind ( Ta - Twall z = 0 ) + 5z z =0 he w ( Te - Twall z = 0 + G, wall ( 24) - kwall 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 Twall 5z 5 Tw 5 Tw = Ph tw ( Tt - Tw

23、 ) - mw Cw , 5t 5x Tw x =0 z = Dw + Te , ( 26 ) ( 14) ( 15) = T s ,out , 式中 , he w 为混凝土墙体外表面和环境的辐射换热 系数 . 3 数值模拟 采用合肥地区的气象数据 , 对建筑南向光伏热 水一体墙和等厚度的南向混凝土墙全年的得热和电 力输出进行数值模拟 , 所选用参数如下 : dg = 0 . 003 m , L = 1 . 38 m , A g = 1 . 173 m , 3 Cg = 810 J / ( kg ?K) , = 2 520 kg/ m , g 2 ua = 1 . 5 m/ s = 0 . 8

24、8 , da = 0 . 025 m , , g = 0 . 4 , dp = 0 . 002 m , = 2 300 kg/ m3 , p p Cp = 800 J / ( kg ?K) , kp = 150 W/ ( m ?K) , = 0 . 9 , A p = 0 . 81 m2 , A tt = 0 . 55 ×10 - 4 m2 , p = 2 702 kg/ m3 , Ct = 903 J / ( kg ?K) , t -4 2 W = 0 . 028 33 m , A c = 2 . 0 ×10 m , P = 0 . 06 m , kt = 237 W/

25、( m ?K) , di = 0 . 03 m , = 32 kg/ m3 , Ci = 795 J/ ( kg ?K) , i 3 ki = 0. 034 W/ ( m ?K) , w = 1000 kg/ m , Cw = 4 200 J / ( kg ?K) , M = 420 kg , 2 2 A s = 4 . 11 m , U s = 0 . 90 W/ ( m ?K) , 3 kwall = 2 . 16 W/ ( m ?K) , = 2 400 kg/ m , wall 2 Cwall = 840 J / ( kg ?K) , hw ,r = 8 . 7 W/ ( m ?K)

26、, hw ,j Fw ,j ( Twall z = dw - Tj ) . ( 21) Tn = 295 . 15 K , Tr = 298 . 15 K , = 0 . 12 , r = 0 . 004 5 , = 0 . 9 , = 0 . 9 , dw = 0 . 1 m . r wall wall 为对比光伏热水一体墙和普通混凝土墙对室内 得热的影响 , 取两者的厚度相等 , 则普通混凝土墙的 厚度 Dw = 01 2 m . 合肥地区的全年气象数据由气象 数据软件生成 ( 图 4 ) . 初始水温取为 25 , 系统每 天的工作时间段为 8 16 . 00 00 3. 1 全年模拟结

27、果 图 4 为合肥地区全年平均环境温度和南立面平 均太阳辐照强度曲线 , 图 5 为光伏热水一体墙的电 收益曲线 , 图 6 为光伏热水一体墙和普通混凝土墙 室内得热的对比曲线 . 计算结果显示南向光伏光热一体墙的光电效率 一般在 111 2 % 111 4 % , 全 年 发 电 总 量 为 68 . 45 kW ? m2 , 热效率在 40 %以上 . 与普通混凝土墙体 h/ 相比 , 光伏热水一体墙对室内空调负荷的改善效果 很明显 . 在效果最好的 8 月 , 南向光伏热水一体墙的 室内得热为 41 41 kW ? m2 , 和南向普通混凝土墙体 h/ 的室内得热 111 82 kW ?

28、 m2 相比 , 减少了 621 7 %. h/ http:/ = hw ,r ( Twall - Tn ) + 5 z = Dw j =1 h w ,j Fw ,j ( Twall z = Dw - Tj ) , ( 25) 50 中国科学技术大学学报 第 37 卷 图4 合肥地区每月平均环境温度和 南立面平均太阳辐照强度 Fig. 4 Monthly variation of average solar irradiance and ambient temperature in Hefei 图5 南向光伏热水墙体各月发电总量 Fig. 5 Monthly electric gain of

29、south facing system 图7 南向光伏光热一体墙系统热效率与单个流道内水质量流率的关系曲线 Fig. 7 Variation of thermal eff iciency with mass flow rate in single channel of south facing system 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 此光伏热水一体墙系统采用水泵强制水循环 , 水泵的流量对系统的热效率有一定的影响 . 如图 7 所示 . 起初 , 系统的热

30、效率随着水流量的增加而提 高 , 但热效率提高的速率越来越小 , 在单个流道内水 的质量流率为 01 01 kg/ s 时 , 系统有最高的热效率 , 此后 , 随着水流量的增加 , 系统热效率开始缓慢降 低 . 这是因为在忽略管路热损的条件下 , 系统的热损 由光伏光热模块的热损和水箱的热损组成 . 水的质 量流率如果太小 , 光伏光热模块的冷却效果较差 , 热 量不能被冷却水及时带走 , 则会导致光伏光热模块 的温度过高 , 热损过大 ; 反之 , 水的质量流率如果太 大 , 虽然光伏光热模块的冷却效果好 , 有利于减少光 伏光热模块的热损 , 但水箱内的水温增加变快 , 导致 水箱的热损

31、变大 , 同时水箱出口水温也越高 , 因而不 图6 南向墙体室内得热量 Fig. 6 Monthly indoor heat gain of south facing wall 第1期 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 51 利于光伏光热模块的换热 , 只有总热损最少时 , 系统 有最佳的热效率 . 但应该注意到 :对于本文模拟的系 统 , 在单个流道内水的质量流率为 01 01 kg/ s 时有 最高的热效率 , 可是这个流量过大 , 因而从水泵选 取、 泵耗等方面考虑都是不利的 ; 图 7 表明 , 当水流 量大于一定数值时 , 系统热效率的提高并不明显 , 因 此对于本系统 , 适当

32、选取小流量的水泵就可以有很 好的 热 效 率 , 例 如 单 个 流 道 内 水 的 质 量 流 率 为 0 . 000 3 kg/ s ( 即水泵流量为 31 2 L/ min) 时 , 虽然仅 约为 01 01 kg/ s 的 1/ 30 , 但系统的热效率只比系统 最高热效率低 3 . 5 %左右 , 相差并不大 . 这尽管牺牲 了一定的热效率 , 但给系统水泵的选取带来了很大 图 8 2005201231 环境温度和南立面太阳辐照强度 Fig. 8 Ambient temperature and solar radiation of 2005201231 , Hefei 图 10 光伏

33、电池温度变化曲线 Fig. 10 Temperature variation of PV module 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的方便 , 也减少了泵的耗能 . 3. 2 全天模拟结果 根据实测的 2005 年 1 月 31 日 8 16 00 00 的气象数据 ( 图 8) ,对系统进行了模拟 ,初始水温为 15 ,单个流道内水的质量流率为01 000 3 kg/ s. 图 9 时光伏光热模块各部分沿流动方向温度分布 12 00 Fig. 9 Temp

34、erature distributing of single module at 12 00 模拟结果显示 ,南向光伏热水一体墙的光电效率 为 111 28 % ,全天发电量为 01 24 kW ?h/ m2 ; 系统全 天热效率为 441 83 %. 南向光伏热水一体墙的室内得 热为 - 01 79 kW ?h , 与南向普通混凝土墙体的室内 得热 - 11 70 kW ? 相比 ,空调负荷减少了 531 5 %. 光 h 伏光热模块各部分温度沿水流动方向递增 (图 9) . 光 伏电池温度一般比水箱水温高 515 (图 10) . 52 中国科学技术大学学报 第 37 卷 图 11 单个流

35、道内水质量流率和热效率关系 Fig. 11 Variation of thermal eff iciency with mass flow rate in single channel 图 12 系统瞬时热效率曲线 Fig. 12 Instantaneous thermal eff iciency t hermal collector by explicit dynamic model J . Solar 3 Zondag H A , De Vries D W , Van Helden W G J , et Energy , 2003 , 75 :1432152. 11 为水质量流率和系统全天

36、热效率关系曲 图 线 . 图 12 为系统瞬时热效率曲线 . 4 结论 模拟结果表明 : 本文所讨论的扁盒式光伏热水 一体墙系统 ,在合肥地区作为南向墙体时 ,全年的光 电效率为 111 2 % 111 4 % , 全年的发电总量可达 681 45 kW ? m2 ; 光热效率一般在 40 %以上 ,最高 h/ 可接近 60 % ; 与等厚度的南向普通混凝土墙相比 , 光伏热水一体墙不仅有很好的热收益和电收益 , 同 时由于改变了建筑物维护结构的性质 , 对室内热环 境有很好的改善效果 ,尤其在夏季和冬季 ,墙体得热 引起的室内空调负荷可减少 50 %以上 ,效果非常明 显 ,这大大节约了电能

37、 . 光伏热水一体墙系统虽然需要一定的初始投 资 ,但它有很好的光热光电收益 、 明显的节能效果和 较长的使用寿命 ,因此光伏热水一体墙系统有很好 的应用前景 . 参考文献( References) 1 J I Jie , H E Wei. Dynamic p rediction of t he annual heat Xuebao/ Acta Energiae Solaris Sinica , 2001 , 22 ( 3 ) : 3112316. 4 H E Wei , J I Jie. Theoretical st udy of p hotovoltaic/ 5 6 季杰 ,何伟 . 光伏

38、墙体年发电性能及年得热动态预测 J . 太阳能学报 ,2001 ,22 ( 3) :3112316. 2 Chow T T. Performance analysis of p hotovoltaic2 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. gain and power outp ut of a PV2wall J . Taiyangneng 7 8 al. The t hermal and elect rical yield of a PV2t hermal col

39、lectorJ . Solar Energy , 2002 , 72 ( 2) :1132128. t hermal integrated buildings on energy efficiency J . Nuantong Kongtiao/ HV and AC , 2003 ,33 ( 6) :8211. 1本文由俸天承运贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 3 7 卷第 1 期 2007年1月 中 国 科 学 技 术 大 学 学 报 Vol . 37 ,No . 1 J an. 2 0 0 7 J OURNAL OF UNIVE

40、RSITY OF S CIENCE AND TECHNOLO G Y OF CHINA imp roves t he indoor t hermal co nditio n , especially in summer and winter , reducing t he cooling and heating load noticeably , and achieving an excellent effect o n energy efficiency. Key words :wall integrated with flat2box PV/ thermal collector ; ele

41、ctrical/ thermal performance ; indoor heat gain 符号表 M/ kg 文章编号 :025322778 (2007) 0120046207 d/ m 厚度 - 1 - 1 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 季 ,韩崇巍 ,陆剑平 ,何 ,裴 杰 伟 刚 ( 中国科学技术大学热科学和能源工程系 ,安徽合肥 230026) 摘要 : 建立了扁盒式光伏热水一体墙的理论模型 ,采用由软件生成的合肥地区全年气象数据对其光 电光热性能和室内得热量进行数值模拟 . 计算结果表明 ,系统的光热效率一般在 40 %以上 ,光电效 率一般在 11 %以上 ,与常规混

42、凝土墙体相比 ,扁盒式光伏热水一体墙不仅有很好的热电收益 ,同时 由于改变了建筑围护结构的性质 ,很好地改善了室内热环境 ,尤其在夏季和冬季 ,大大降低了空调 负荷 ,起到了很好的建筑节能效果 . 关键词 : 扁盒式光伏热水一体墙 ; 热电性能 ; 室内得热 中图分类号 : TM615 文献标识码 :A ( De p art ment of T hermal S cience and Ener g y En gi neeri ng , Uni versit y of S cience and Technolog y of Chi na , Hef ei 230026 , Chi na) Abs

43、tract :Based o n t he meteorological data of Hefei , a numerical model was built for t he simulatio n of t he collectors. Result s show t hat t he t hermal efficiency is usually over 40 percent and t hat t he PV co nversio n efficiency is usually over 11 percent . Due to t he change in t he characte

44、ristic of building envelop , co mpared wit h t he t raditio nal co ncrete wall , t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t hermal collecto rs o bvio usly 水箱中的水量 风速 (kg ? - 3 ) / m 密度 C/ (J ? kg elect rical/ t hermal performance and heat gain of t he solar wall integrated wit h flat2bo x PV/ t

45、 hermal K ) 比热容 温度 ua / ( m ?s - 1 G/ ( W ? - 2 ) m T/ K 太阳辐照强度 L/ m 玻璃盖板的长度 流道的宽度 流道的润湿周长 W/ m P/ m U/ ( W ? m - 2 K ) 热损系数 - 1 3 收稿日期 :2006206205 ; 修回日期 :2006209212 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 基金项目 : 国家自然科学基金 (50408009) 和教育部光伏研究中心开放基金资助 . 作者简介

46、 : 季杰 ( 通讯作者) ,男 ,1963 年生 ,博士/ 教授 . E2mail :jijie ustc. edu. cn ; Tel :055123601652 J I J ie , HAN Cho ng2wei , L U J ian2ping , H E Wei , P EI Gang ) Theoretical study of solar wall integrated with flat2box PV/ thermal collector 玻璃盖板平面的 rc 3 吸收率 发射率 ( ) 光伏电 池面 积 与 集热面积的比值 有效透过率与吸收率乘积 r 仅考虑吸收损失的玻璃盖板

47、透 过率 玻璃盖板的反射率 A/ m 2 面积 h/ ( W ? - 2 ?K - 1 ) 换热系数 m - 1 - 1 k/ ( W ? m K ) 热传导系数 仅考虑反射损失的玻璃盖板透 第1期 过率 cell 下标 g 扁盒式太阳能光伏热水一体墙的理论研究 a p i t w 47 wall s in out 空气 光伏模块 绝热层 流道壁 水 墙体 水箱 进口 出口 光伏电池的光电效率 波尔兹曼常数 玻璃盖板 0 引言 太阳 能 光 伏 建 筑 一 体 化 ( building integrated p hotovoltaic ,B IPV ) 越来越受到人们的关注 , 这种 直接在建

48、筑围护结构外表面上铺设光伏阵列或者取 代外围护结构的方式有效地利用了建筑围护结构的 外表面 ,通过光伏阵列把太阳能转化为电能 . 虽然随着技术的不断成熟 , 光伏电池的光电效 率较最初已有很大提高 , 但光电效率的绝对数值依 然较低 ,照射到光伏电池表面的太阳辐射能 ,80 %以 上并未转化为电能 , 而是转化为光伏电池的热能或 损失掉 ,由于光伏电池的光电效率随着工作温度的 升高而降低 ,如不对电池采取有效的冷却措施 ,电池 的工作温度将迅速上升 ,导致光电效率的下降 . 国内外不少学者已就太阳能光伏建筑一体化中 如何有效地降低光伏电池的工作温度进行了理论和 实验研究 . 目前 ,对光伏模块

49、的冷却主要采用风冷和 水冷两种冷却模式 . 风冷模式虽然明显地降低了光 伏电池的工作温度 ,提高了光电效率 1 ,但空气冷却 光伏模块后排入了环境 ,热能并没有被有效利用 ; 水 冷模式是在光伏模块背面设置吸热表面和流体通 道 ,构成光伏光热模块 , 通过流道中水带走热量 , 这 样既有效地降低了光伏电池的温度 , 提高了光电效 率 ,又有效地利用了余热 , 获得了热水 . 这种在外表 面设置了光伏光热模块 、 以水为流体的墙体就是光 伏热水一体墙 . 文献 2 ,3 对管板式光伏光热模块建立了数学 模型 ,对其光电光热性能进行了数值模拟 . 文献 4 从理论上研究了管板式光伏热水一体墙的光热

50、光电 性能和墙体得热 . 本文对扁盒式光伏热水一体墙建立了理论模 型 ,采用由软件生成的合肥地区的气象数据对其光 电光热性能及室内得热量进行了全年的数值模拟 , 并与等厚度的普通混凝土墙体的得热进行了比较 . 水箱 、 连接管路及支撑框架组成 . 铺设到普通混凝土 墙体外表面的扁盒式光伏光热模块的结构如图 2 和 图 3 所示 . 光伏模块由多晶硅电池做成 ,流道横截面 图1 光伏热水一体墙系统图 Fig. 1 Picture of the w all 图2 单个光伏光热模块的竖直剖面图 Fig. 2 Vertical section of single module 1 系统结构及工作过程

51、如图 1 所示 , 本文研究的扁盒式光伏热水一体 墙系统由 6 块扁盒式光伏光热模块 、 直流循环水泵 、 图3 单个光伏光热模块的水平剖面图( 部分流道) Fig. 3 Level section of single module ( partial channels) 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 48 中国科学技术大学学报 第 37 卷 为 20 mm × mm 的长方形 ,以导热性能好的铝为 10 制作材料 ,每个光伏光热模块有 30 个流道 . 光伏光 热模块的四周也填充有绝热材料 ,绝热性能好 ,散热 面积不大 . 系统白天运行 ,靠直流循环水泵强迫水循环 ,加 强换热效果 ,以有效抑制电池温度的升高 ,提高光电 效率 ,同时得到热水 . 璃对长波辐射是不透明的 , 则有 2 ( Tp2 + Tg ) ( Tp + Tg ) hrgp = . 1 1 + - 1 g p 2. 1. 2 光伏模块的能量平衡 dp Cp p 2 计算模型 2. 1 扁盒式光伏热水一体墙模型 做以下假定 : ( 光